（环境工程专业论文）控制do和srt条件下短程硝化反硝化及系统稳定性研究.pdf

摘要 试验采用序批式s b r 反应器对短程硝化反硝化影响因素和系统稳定性进行 了相关试验研究。研究了控制d o 与s r t 条件下温度对短程硝化反硝化的实现 以及亚硝酸盐积累情况的影响：以及常温条件d o 与s r t 对短程硝化反硝化的 影响；研究了非单一因素控制条件下短程硝化反硝化过程中有机物和氨氮去除 率、亚硝酸盐积累率，以及短程硝化反硝化系统的稳定性。 在低温条件下，控制s b r 反应器d o = o 5 4 - 0 1 m g l 和p h = 7 5 4 - 0 1 ，m l s s 为3 8 0 0 m g l ，s r t 为1 4 d 。当t = 9 时，系统运行3 4 d 亚硝化率一直在9 左右， 未能实现短程硝化反硝化。之后将系统内部温度控制在1 4 c ，再经过1 6 d 的运 行实现了短程硝化反硝化，又经过4 0 d 的运行亚硝酸盐积累率稳定在9 1 以上， 此时硝化速率为1 3 4 4m g ( g h ) 。在其他条件不变的情况下，将系统温度升高至 1 9 ，经过4 4 d 的运行亚硝酸盐积累率依然稳定在9 0 以上，但此时硝化速率上 升为1 8 1 2m g ( g h ) ，相比1 4 条件下提高了3 4 8 2 。可见温度的升高促进了控 制低d o 和s r t 条件下短程硝化反硝化的实现；在保持短程硝化反硝化系统稳 定运行的前提下，温度的升高能够有效地提高硝化反应速率。 在常温( 2 0 4 - 1 ) 条件下，控制s b r 反应器d o = 0 5 4 - 0 1m g l ，进水 o h = 7 8 - 4 - 0 1 ，m l s s 为4 0 0 0 m g l ，经过1 7 d 的运行实现了短程硝化反硝化，又经 过2 0 d 运行亚硝酸盐积累率稳定在9 2 以上，在此实验基础上，逐步提高d o 浓 度至( 0 8 4 - 0 1 ) m g l 、= 1 2 m g l ，系统在每种浓度梯度上至少运行一个月。实 验得知：系统d o 浓度在0 5 1 0 m g l 时均能够维持亚硝酸盐积累率在9 2 以上， d o 浓度高于1 2 m g l 时经过1 8 d 的运行转变为全程硝化反硝化；在两者氨氮去 除率均达到9 1 的前提下，与d o = 0 5 4 - 0 1 m g l 条件下的短程硝化反硝化相比， d o = 0 8 + 0 1 m 【g l 条件下的短程硝化反硝化平均氨氧化速率提高了5 6 4 ，平均 亚硝酸盐增长速率提高了3 4 6 ，硝化阶段时间缩短了4 0 m i n 左右。 在污泥浓度、进水条件和运行条件均与d o = 0 8 m g l 条件下的短程硝化反硝 化系统相同时，就短程硝化与全程硝化曝气量进行对比试验研究，硝化阶段短程 硝化和全程硝化的曝气量分别为6 0 m 和7 6 l h 。实验发现：在两者氨氮去除率 均达到9 0 的情况下，短程硝化可比全程硝化节约2 0 m i n 左右的曝气时间和 2 1 0 5 的曝气量。 将平均亚硝化率为8 4 5 的短程硝化污泥平均分为3 份，分别投入n 3 个相同 的s b r 反应器内，研究了污泥龄为7 d 、l l d 、1 5 d 时对短程硝化反硝化的影响。实 验得知：经过9 0 d 的运行，污泥龄为7 d 时，氨氮去除率下降了2 7 7 ，亚硝酸盐积 累量降低了1 4 2 m g l ；污泥龄为l i d 时，亚硝化率由8 4 9 升至8 9 1 ，硝态氮积 累量降至3 0 m g l p a 下；污泥龄为1 5 d 时，亚硝化率由8 4 5 降至8 2 7 ，硝化速率 f f t l f l l f l l f f f f i l l f l f f f l r l l l l l r f f l l f i i f f r r r f r l l l f y 2 0 4 3 0 6 4 相比污泥龄为1 1 d 时高出2 3 4 。说明污泥龄偏低会影响到脱氮效果；污泥龄介于 两种硝化菌最小时代周期之间时，能够有效的提高短程硝化反硝化系统的稳定 性，但与污泥龄为1 5 d 条件下的短程硝化相比硝化速率明显偏低。因此通过多因 素联合控制，寻求适宜污泥龄是实现短程生物脱氮稳定高效运行的关键。 通过对比试验验证了非单一因素控制条件下短程硝化反硝化系统稳定性，对 比试验如下：1 号反应器进水游离氨浓度4 6 1 m g l 左右，只控制d o = i 2 m g l ， 在运行7 0 d 以后，转变为全程硝化，说明单一控制游离氨条件下的短程硝化反硝 化并不稳定；2 号反应器进水游离氨4 6 1 m g l 左右，控制d o 为1 - 2 m g l 和进水 p h 为8 4 ：t ：0 1 ，s r t 为1 5 d ，亚硝酸盐积累率稳定在9 2 以上，短程硝化反硝化 运行稳定，表明通过控制较高d o 浓度、进水高p h 值和适宜的污泥龄结合可实 现稳定短程硝化反硝化，s b r 系统长期运行1 3 0 天保持了较高的亚硝酸盐积累 和稳定的运行效果。此研究突破了o l a n d 原理将d o 控制在1 0 m g l ( 甚至 0 5 m l ) 以下的限制，提高了系统有机物去除效率，并扩大了可实现短程硝化 反硝化的溶解氧控制范围，同时表明结合高p h 值和适宜污泥龄条件进行控制有 利于提高短程硝化反硝化的实现程度和运行稳定性。 关键词：s b r ；短程硝化反硝化；d o ；s r t ；稳定性 a d s t r a c t t h i se x p e r i m e n ts t u d i e dt h e i n f l u e n c ef a c t o r sa n dt h es t a b i l i t yo fs h o r t c u t n i t r i f c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o ni nt h es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r i ts t u d i e dt h ei n f l u e n c et o s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o nf r o mt e m p e r a t u r ew i t hc o n t r o l l i n go fd oa n d s r t ；i ts t u d i e dt h ei n f l u e n c et os h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o nf r o md 0a n ds l ha t n o r m a lt e m p e r a t u r e ：a n di ta l s os t u d i e dt h eo r g a n i cc o m p o u n d sa n da m m o n i an i t r o g e n r e m o v a lr a t e n i t r i t en i t r o g e na c c u m u l a t i o nr a t ea n dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mu n d e rt h e c o n t r o l l i n go fn o n - u n i q u e n e s sf a c t o r s c o n t r o l l i n gt h ec o n d i t i o no fd 0a t0 5 + 0 1 m e g l p ha t7 5 + 0 1 ，t h em l s s3 8 0 0 m l a n dt h es r ta t14 d a y su n d e rl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s f i r s t l y ，a tt h et e m p e r a t u r e o f9 c e n t i g r a d e ，k e e p i n gt h es y s t e mo p e r a t i n gf o r3 4d a y s ，t h en i t r i t en i t r o g e n a c c u m u l a t i o nr a t ew a sa l w a y sa r o u n d9 d u r i n gt h ep e r i o da n di tw a saf a i l u r ef o r s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n s e c o n d l y ，a tt h et e m p e r a t u r eo fl4c e n t i g r a d e s y s t e mh a sf o r m e ds h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o na f t e r16d a y s ，4 0 d a y sl a t e r n i t r i t en i t r o g e na c c u m u l a t i o nr a t eh a sr e a c h e dm o r et h a n91 a n dr a t eo fn i t r i f i c a t i o nw a s 1 3 4 4m g ( g - h ) t h i r d l ya tt h et e m p e r a t u r eo f19c e n t i g r a d e ，a f t e r4 4 d a y s ，n i t r i t e a c c u m u l a t i o nr a t er e m a i nm o r et h a n9 0 b u tt h en i t r i f i c a t i o nr a t ew a sr a i s e dt o 1 812 m g ( g h 1w h i c hr o s e3 4 8 2 c o m p a r e dw i t ht h ec o n d i t i o no f14c e n t i g r a d e t h u s i tc a nb es e e n t h es h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o nh a sp r o m o t e db yt h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r eu n d e rt h ec o n d i t i o no fl o wd 0a n ds r t w h a t sm o r e r i s i n gt e m p e r a t u r e c a ni n e r e a s et h en i t r a t i o nr a t ee f f e c t i v e l yu n d e rt h es t e a d yo p e r a t i o no fs y s t e m c o n t r o l l i n gt h ec o n d i t i o no fd o0 5 + 0 1m e g l ，p h7 8 + 0 1 ，m l s s 4 0 0 0m e g l ， s h o r t c u tn i t f i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o nh a ss u c c e e da f t e r 17 d a y sa tt h en o r m a l t e m p e r a t u r e ，t h e n2 0 d a y sl a t e r n i t r i t en i t r o g e na c c u m u l a t i o nr a t eh a sm a i n t a i nt h es t a b i l i t y o fm o r et h a n9 2 o nt h i sb a s i s ，i n c r e a s i n gd oc o n s i s t e n c et o ( 0 8 + 0 1 ) m l s t e p - b y - s t e p ，t h e nm o r et h a n1 2 m g l ，a n dk e e p i n gt h es y s t e mr u n n i n gf o ra tl e a s to n e m o n t ha te v e r yc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts u g g e s t e d ，n i t r i t en i t r o g e n a c c u m u l a t i o nr a t ew a sk e p to v e r 9 2 w h e nc o n t r o l l i n gd oc o n s i s t e n c ea t o 5 一1 0 m g l w h e nt h ec o n s i s t e n c eo fd ow a sm o r et h a n1 2 m g l t h er e a c t i o n b e c a m el o n g - t e r mn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o na f t e r18d a y s u n d e rt h ep r e m i s eo ft h e r e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e nr e a c h e d91 t h ea v e r a g eo x i d a t i o nr a t eo f a m m o n i an i t r o g e ni n c r e a s e d5 6 4 a n dt h ei n c r e a s er a t eo fn i t r i t en i t r o g e ni n c r e a s e d 3 4 6 c o m p a r e dw i t ht h ec o n d i t i o no fd oc o n s i s t e n c e0 5 + 0 1m g l a n dt h en i t r a t i o n p e r i o dr e d u c e d4 0m i nu n d e rt h ec o n d i t i o no fd oc o n s i s t e n c e0 8 + 0 1m g l k e p tt h ec o n d i t i o ni d e n t i c a lw i t ht h ec o n d i t i o no fd o0 8 m g la n ds t u d i e dt h e a e r a t i o nv o l u m ec o m p a r a t i v et e s tw h i c ha d j u s tt h e s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n s a e r a t i o nv o l u m ea t6 0 l ，1 1 a n dt h e l o n g t e r mn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n sa e r a t i o n c o n t e n ta t7 6 l 1 1 i tw a sf o u n dt h a t ：t h ea e r a t i o nv o l u m eo fs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o ns a v e d21 0 5 t h a nt h a to f1 0 n g t e r mn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n a n dt h e r e a c t i o nt i m es h o r t e n e d4 0 m i n s e p a r a t e dt h es l u d g ew h i c ha v e r a g en i t r o s a t i o nr a t ei s8 4 a v e r a g e l yi n t ot h r e e p a r t s t h e ni n p u tt h e mi n t ot h r e ei d e n t i c a ls b rr e a c t o r , a n ds t u d i e dt h ei n f l u e n c ef r o m s i 玎w h i c hw a ss e ta t7 d 1 lda n dl5 dt ot h es h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n i t c a nb es h o w e d w h e ns r tw a s7 d a y st h ea m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ed e c r e a s e d 2 7 7 t h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nc o n t e n td e c r e a s e dl4 2 m e g la f t e r9 0d a y s w h e n s i 玎w a s1 ld a y s ，n i t r o s a t i o nr a t ei n c r e a s e df r o m8 4 9 t o8 9 1 。t h en i t r a t en i t r o g e n a c c u m u l a t i o nq u a n t i t yd e c r e a s e dt o3 1 m g l m e ns i u w a s1 5d a y s n i t r o s a t i o n a c c u m u l a t i o nr a t ew a sd e c r e a s e df r o m8 4 5 t o8 2 7 ，a n dt h en i t r i f i c a t i o nr a t ew a s i n c r e a s e d2 3 4 c o m p a r e dw i t ht h es r tw a sl ld a y s e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：t h e s h o r ts r tw o u l dr e d u c ed e n i t r i f i c a t i o ne f f e c t i v e n e s s ：w h e nt h es r tw a sb e t w e e nt h e m i n i m u mt i m e p e r i o do ft w on i t r i f i c a t i o nb a c t e r i a , t h es t a b i l i t yo fs h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o ns y s t e mc o u l db ei m p r o v e d ，b u tc o m p a r e dw i t hw h i c ht h e s i 订w a s15d a y s t h en i t r i f i c a t i o nr a t ew a ss i g n i f i c a n t l yl o w e r s ob yc o n t r o l l i n g n o n - u n i q u e n e s sf a c t o r sa n ds e e k i n ga p p r o p r i a t es r ti st h ek e yt om a k i n gt h es y s t e mo f s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o no p e r a t e ds t a b l ya n de 施c i e n t l y s t u d i e dt h es t a b i l i t yo fs y s t e mb yc o n t r o l l i n gn o n - u n i q u e n e s sc o n d i t i o n st h r o u g h c o m p a r a t i v et e s t t h ef i r s tr e a c t o r ：a m m o n i ac o n c e n t r a t i o nw a s4 61m g la n dd 0 c o n c e n t r a t i o nw a s 1 - 2 m g l t h es y s t e m b e c a m et h e l o n g t e r m n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o na f t e r7 0d a y s 。s oc o n c l u d e dt h a tt h es h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n w a sn o ts t a b l eb yo n l yc o n t r o l l i n gt h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o n t h es e c o n dr e a c t o r ： a m m o n i ac o n c e n t r a t i o nw a s4 6lm g l ，d 0c o n c e n t r a t i o nw a s 1 2 r a g l p h w a s 8 牡0 1 a n ds l 玎w a sl5d a y s f o u n d e dt h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ew a sr e a c h e d 9 2 a n dt h es y s t e mw a ss t a b l e t h ec o n c l u s i o nw a st h a tb yc 6 n t r o l l i n gh i g h e rd o c o n c e n t r a t i o n ，h i g h e rp ha n dp r o p e rs i 玎c o u l dk e e pt h es y s t e ms t a b l e a n dt h es y s t e m h a dah i g hn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ea n ds t a b l ed e n i t r i f i c a t i o ne f f e c tf o rl3 0d a y s t h e e x p e r i m e n t b r o k eo u to ft h er e s t r a i n ti no l a n dt h e o r yt h a td oc o n c e n t r a t i o ns h o u l d b ec o n t r o l l e du n d e r1 0 m g l ( e v e n0 5 r a g l ) ，r a i s e do r g a n i cc o m p o u n d sr e m o v a lr a t e a n dw i d e n e dt h ed oe x t e n tw h i c hc a na c c o m p l i s hs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n i ta l s oi n d i c a t e dt h a th i g h e rp ha n dp r o p e rs i 订w e r eb e n e f i tt oi m p r o v i n gt h e1 e v e lo f a c c o m p l i s h i n gs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o na n ds t a b i l i t yo fs y s t e m k e yw o r d s ：s b r ；s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ；d o ；s r t ；s t a b i l i t y 第一章弓i 言 1 1 生物脱氮概述 随着经济的发展和环境资源的不断改变，含氮污水作为环境的一个影响因 素，越来越受到人们的重视【1 1 。城市污水、工业废水、农业污水、生活污水中氮 素污染物所占比例均较高。含氮污水持续进入水体，可引起富营养化；氨对水生 生物会产生毒害作用；水体中硝化作用会引起水体缺氧，破坏水生生态环境；硝 酸豁和亚硝酸盐会危害到人类健康。因此，对水体中氮素污染物进行有效的去除 就显得至关重要。目前对氨氮的去除主要以生物脱氮为主，因其处理费用低、效 果好、不产生二次污染等优点而得到了广泛研究与应用1 2 j 。 1 1 1 生物脱氮原理 废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮四种形态存在【1 1 。如生活污 水中有机氮占含氮量的4 0 6 0 ，氨氮占5 0 - - 6 0 ，硝态氮仅占0 5 。传统 生物脱氮技术遵循已发现的自然界氮循环机理，废水中的有机氮依次在氨化菌、 亚硝酸菌、硝酸茵和反硝化菌的作用下进行氨化反应、亚硝化反应、硝化反应和 反硝化反应后最终转变为氮气而溢出水体，达到了脱氮目的【3 j 1 4 j 。 1 1 1 1 氨化作用 氨化作用是微生物分解有机氮化物产生氨的过程。在污水处理系统中，废水 中的有机氮化合物在多种微生物的作用下被降解成氨氮。如：污水中所含有的蛋 白质的氨化作用即是在蛋白酶、肽酶与氨化菌等作用下将其逐步转化为氨氮1 5 j 。 废水中起氨化作用的微生物对外界环境具有很强的适应性，在酸碱环境、好氧或 厌氧水域，氨化微生物均可高效、快速的实现氨化作用【6 j 。正是由于其反应速度 快，在进水管道或进入生化反应池之前已完成大部分的氨化作用，所以在生物脱 氮工艺中不将其作为一个主要研究对象，而是将重点放在硝化反硝化过程的研 究上。 1 1 1 2 硝化作用 在好氧条件下，氨氮被系统中的微生物氧化成硝酸盐的过程即为硝化作用。 传统的生物硝化过程是由亚硝酸菌和硝酸菌这两类自养型细菌完成的1 7 j 。亚硝酸 菌将氨氮转化为亚硝态氮，硝酸菌再将亚硝态氮氧化成硝态氮 s l 。这是两个独立 完成的反应，这两类细菌具有不同的生理特性和动力学特征。从进化谱系上看， 亚硝酸细菌和硝酸细菌之间的亲缘关系并不密切，所有分离的亚硝酸细菌都归入 8 - p r o t e o b a c t e r i a 纲或y - p r o t e o b a c t e r i a 纲。所有分离的硝酸细菌都归入a p r o t e o b a - 】 青岛大学硕卜学位论文 c t e r i a 纲，t - p r o t e o b a c t e r i a 纲或d p r o t e o b a c t e r i a 纲或n i t r o s p i r al - ，除了丫p r o t e o - b a c t e r i a 纲中n i t r o s o c o c c u s 与n i t r o c o c c u s 的少数菌株具有相对较近的亲缘关系外， 其他绝大多数菌株的亲缘关系都相距很远，亚硝酸菌与硝酸菌彼此为邻并无进化 谱系上的必然性，它们完全可以独立生活【9 ，1 0 】。两类细菌的反应过程用下式表示： 亚硝化反应：n h 4 + + 1 5 0 2 - - n 0 2 + h 2 0 + 2 h + ( 1 - 1 ) 硝化反应：n 0 2 。+ 0 5 0 2 _ n 0 3 4 ( 1 - 2 ) 硝化作用反应过程的总反应式为： n h 4 十+ 2 0 2 - - - n 0 3 。+ h 2 0 + 2 h 十 ( 1 - 3 ) 硝化反应受温度、p h 值、d o 、污泥龄、c n 、盐度等一系列环境因素的影响。 通常情况下认为，硝化作用最适温度范围是3 0 3 5 ，温度变化不但影响硝化速 率，而且影响硝化细菌的活性，当温度高于3 5 。c 时会导致蛋白质变性，降低硝 化细菌活性，温度低于5 时，微生物生命活动几乎停止，也会抑制硝化细菌的 活性；p h 值对硝化细菌的生长繁殖有很大影响【1 1 l 【1 2 1 ，普遍认为硝酸菌适宜的p h 为6 0 7 5 ，而亚硝酸菌适宜的p h 为7 0 - 8 5 【1 3 】；氧是硝化反应中的电子受体， 反应器中d o 浓度的大小必定会影响到硝化反应速率，因此在曝气过程中一定要 控制好曝气量。此外，污泥龄、c n 等因素也在很大程度上影响着硝化作用的正 常进行。 1 1 1 3 反硝化作用 反硝化作用是指在缺氧或厌氧条件下，系统中的微生物将硝态氮( 亚硝态氮) 还原为氮气的过程。在通常的实验研究中一般将此类能够起到还原底物的微生物 细菌称为反硝化细菌。在日常污水处理系统中大多数知晓的微生物都是反硝化细 菌。反硝化细菌多为兼性厌氧菌，能够利用分子氧或硝酸盐( 亚硝酸盐) 作为最 终电子受体，有氧条件下反硝化菌首先利用分子氧作为电子受体，而当分子氧受 限制时，硝酸盐( 亚硝酸盐) 则取代分子氧作为电子受体进行代谢活动【1 4 儿1 5 j 。 在反硝化过程中，碳源在细菌正常代谢降解方面起着重要作用，是反硝化反 应能否顺利进行的先决条件。在一些后置反硝化工艺中，如：a o 工艺，由于污 水中有机物在好氧反应阶段已被大部分降解而导致反硝化碳源不足，因此为保证 反硝化效率往往要额外投加碳源【1 6 l 。甲醇也因价格低、易获取，且不产生副产物 而被广泛应用于实验室研究和污水处理厂中。以甲醇作为外加碳源为例，说明反 硝化反应过程如下： c h 3 0 h + 3 n 0 3 。一3 n 0 2 。+ 2 h2 0 + c 0 2 ( 1 4 ) c h 3 0 h + 2 n 0 2 。一n 2 + h 2 0 + c 0 2 + 2 0 h ( 1 - 5 ) 从上式可以看出反硝化过程产生碱度，故反应过程中p h 会有所升高。 2 第一章引言 反硝化作用也受温度、碳源、p h 、d o 、盐度等1 1 7 j 等一系列环境因素的影响， 反硝化反应温度在5 - 4 0 。c 范围内均可进行，最适温度为2 0 3 5 。c ；p h 值对反硝 化作用也有很大影响，普遍认为p h 值在6 5 7 5 范围内时，反硝化速率最大，由 于反硝化过程中会产生碱度，这在一定程度上有助于保持p h 在一定范围内；在 反硝化过程中，若系统d o 浓度过高，会竞争性的阻碍硝酸盐的还原，从而影响 反硝化效率。 1 1 - 2 生物脱氮新技术研究发展 随着科技的不断进步，人们对生物脱氮技术的要求也越来越高，研究也在不 断加深，出现了很多具有创新性、前沿性的生物脱氮工艺，如短程硝化反硝化工 艺1 1 8 l 、同步硝化反硝化工艺【1 9 】、亚硝化厌氧氨氧化工艺【2 0 1 等。其中短程硝化反 硝化工艺和短程硝化厌氧氨氧化工艺已经投产使用且脱氮效果十分显著。 1 1 2 1 短程硝化反硝化 短程硝化反硝化( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ，亦称亚硝酸型硝化反 硝化) ，它是将硝化过程控制在n 0 2 - n 阶段，随后进行反硝化脱氮【2 。短程硝 化反硝化过程：n h 4 + n n 0 2 - n _ n 2 ，全程硝化反硝化脱氮过程： n h 4 + n n 0 2 。n n 0 3 n _ n 0 2 一n _ n 2 ，从以上两种生物脱氮工艺过程可以看 出，在反应中经历了一个形成无用硝酸根的过程，该过程既增加了硝化曝气量又 增加了反硝化碳源的投加量，同时也使反应过程延长、反应容器复杂化。 与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下优点【2 2 】【2 3 】( 纠：( 1 ) 硝化阶 段可减少2 5 左右的需氧量，降低了能耗；( 2 ) 反硝化阶段可减少4 0 左右的有 机碳源，降低了运行费用；( 3 ) 反应时间缩短，反应器容积可减少3 0 4 0 ，降 低了基建费用；( 4 ) 具有较高的反硝化速率( n 0 2 的反硝化速率通常比n 0 3 。要高) ； ( 5 ) 污泥产量低( 硝化过程可减少污泥产量3 3 3 5 ，反硝化过程可减少污泥5 5 左右) ；( 6 ) 减少了投碱量等。 短程硝化反硝化脱氮的标志是硝化结束时是否具有稳定高效的亚硝态氮积 累，普遍认为当系统中亚硝态氮比例占硝态氮与亚硝态氮之和的一半以上，即 n 0 2 o x - 5 0 时就说明系统实现了短程硝化反硝化【1 2 1 。因此，如何控制硝化过 程停留在亚硝酸盐阶段，进而实现稳定高效的亚硝酸盐积累率就成了短程生物脱 氮的关键【2 1 1 。由于亚硝酸菌和硝酸菌在开放的系统中已经形成较为紧密的互生关 系，彼此相互作用而将氨氮氧化为硝酸盐，因此完全意义上的亚硝酸型硝化几乎 是不可能的。影响短程硝化反硝化的主要因素有：温度、p h 值、d o 浓度、游 离氨( f a ) 浓度、污泥龄( s r t ) 等。实验证明通过合理控制好以上因素，便可 以出现较高的亚硝态氮积累，从而实现短程硝化反硝化。 3 青岛人学硕i j 学位论义 1 1 2 2 同步硝化反硝化 同步硝化反硝化工艺( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n 简称s n d ) 是 指在同一反应器、相同反应条件下，硝化反应和反硝化反应同时发生的现象 2 5 1 。 传统生物脱氮处理工艺中，硝化和反硝化反应只能在不同的反应器内或同一 反应器的不同阶段进行。然而近几年的研究和报道证明，硝化和反硝化可在同一 空间内同时发生【2 6 】【2 7 】【2 8 1 ，在很多污水处理工艺运行过程中也发现了同步硝化反 硝化现象。一般传统情况下，在污水生物系统中，硝化菌和反硝化菌均处在同一 活性污泥中，由于硝化菌的自养性和好氧性与反硝化菌的异养性和缺氧性明显不 同，故生物脱氮过程通常需在两个反应器中独立进行( 如a o 工艺) 或在一个反应 器中依照时间顺序进行( 如s b r 工艺) 。当混合污泥进入缺氧池( 或厌氧池) 时，反 硝化菌工作而硝化菌处于低效工作甚至抑制状态；而当混合污泥进入好氧池时情 况则相反。而同步硝化反硝化现象则是在同一反应器中、同一活性污泥中的硝化 菌和反硝化菌两类不同性质的菌群同时工作。此种脱氮工艺相比短程硝化反硝化 既节约了反应器容积，又提高了反应效率。从其反应过程中可以看出，硝化和反 硝化在两个反应器中独立进行或在同一个反应器中顺次进行时，硝化过程中产生 的h + 中和了反硝化过程中产生的o h 。，减少了p h 值的波动，从而使两个生物反 应过程同时受益，提高了反应效率【2 9 】，同时可以使得短程生物脱氮系统稳定高效 的运行。 同步硝化反硝化生物脱氮工艺与传统生物脱氮工艺比，具有以下特点【4 j ：( 1 ) 简化工艺流程，减小反应器的体积和占地面积；( 2 ) 硝化产生的酸度可部分地和 反硝化产生的碱度中和；( 3 ) 节约部分外源性碳源；( 4 ) 曝气需求量减小，节省 能耗。这些优势使s n d 成为目前生物脱氮技术研究的热点。目前在荷兰、丹麦、 意大利等国已有一批污水厂在利用同时硝化反硝化脱氮工艺运行。 根据以往研究得出，实现同步硝化反硝化的途径可以分为以下两种【3 u j ：1 ) 利用某些微生物种群在好氧条件下具有反硝化的特性来实现同步硝化反硝化。研 究发现，t h i o s p h a e r a 、p s e a d o n m o n a sn a u t i c a 、c o m a m o n o s s p 等微生物在好氧条 件下可利用n o x - n 进行反硝化，有关学者也指出生物脱氮系统中同样存在异养 硝化好氧反硝化生物脱氮方式、自养反硝化菌生物脱氮方式和自养硝化菌反硝 化脱氮方式。2 ) 利用好氧活性污泥絮体中的缺氧区来实现同步硝化反硝化。通 常曝气池中的d o 维持在1 0 2 0 m l ，活性污泥大小具有一定的尺度，由于扩 散梯度的存在，在污泥颗粒的内部可能存在着一个缺氧区，从而形成有利于反硝 化的微环境。通过大量研究结果表明【”】，活性污泥的同步硝化反硝化主要是由污 泥絮体内部缺氧产生。要实现高效率的同步硝化反硝化，关键是如何在不影响硝 化效果的曝气条件下，增大活性污泥颗粒内部的缺氧区进而实现反硝化。实验证 明要想达到这一目的，有两种途径可供选择，一是减小曝气池内混合液的d o 浓 4 第一章0 i 高 度，提高活性污泥颗粒的尺度。但是在低d o 浓度下硝化菌的活性将会降低，且 容易形成丝状菌大量繁殖引起的污泥膨胀 3 2 】。二是提高同步硝化反硝化活性污泥 颗粒的尺度，从而在不影响硝化效率的前提下实现同步硝化反硝化运行。但是， 由于曝气池中气泡的剧烈扰动，活性污泥颗粒尺度在此环境中难以逐渐扩大，种 种原因均限制了同步硝化反硝化实现和稳定运行。 1 1 2 3 亚硝酸型厌氧氨氧化 随着生物脱氮技术的不断发展创新，以及对新型生物脱氮工艺短程硝化反硝 化研究的同趋成熟，亚硝酸型厌氧氨氧化工艺脱颖而出，该工艺集两种脱氮工艺 优势与一体，是亚硝化过程与厌氧氨氧化过程的结合口3 1 。 亚硝酸型厌氧氨氧化是利用短程硝化的原理，通过控制一定的温度、p h 、 d o 、污泥龄、底物浓度等水力条件，将硝化过程进行到一定阶段，出现一定量 的亚硝酸盐积累，使出水中的氨氮和亚硝酸盐达到一定的比例，达到厌氧氨氧化 的需求，然后在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以n h 4 + n 为电子供体，以n 0 2 n 为电子受体，将n h 4 + - n 和n 0 2 - - n 转换为n 2 ，从而实现废水的生物脱氮过程【3 引。 亚硝酸型厌氧氨氧化技术与传统生物脱氮技术相比具有以下优点 3 5 儿3 6 】：( 1 ) 反应过程中氨氮可直接用做反硝化反应的电子供体，因此不需要外加碳源；( 2 ) 在亚硝酸型厌氧氨氧化过程中每氧化l m o l n i - h + n 只需消耗0 7 5 m o l 氧气，而在 硝化反应中每氧化l m o l n h 4 + - n 却需要消耗2 m o l 氧气，故亚硝酸型厌氧氨氧化 过程供氧能耗大幅度下降；( 3 ) 反应过程中产酸量大为下降，产碱量则降至零； ( 4 1 亚硝酸型厌氧氨氧化过程通常仅产生少量污泥；( 5 ) 基建费用和运行费用 降低。 1 1 3 短程硝化反硝化影响因素及研究现状 在多种新型脱氮技术中，短程硝化反硝化是其中代表性技术之一，因其具有 传统生物脱氮所不具备的种种优点，引起了学术界的普遍关注和广泛研究。1 9 7 5 年v o “3 7 】在实验中发现了硝化过程中n 0 2 。积累的现象，并首次提出了短程硝化 反硝化。1 9 8 6 年s u t h e r s o n 3 8 】等通过试验研究证实了经过亚硝化途径进行生物脱 氮的可行性。随后国内外众多学者从不同方面对短程硝化反硝化进行了大量相关 研究，研究初期发现n 0 2 - 的积累极不稳定，容易被氧化成n 0 3 。随着科技的发 展和生物技术的不断进步，国内外学者在短程硝化反硝化的研究上取得了大量显 著成果。 短程硝化反硝化的实现和稳定运行与温度、p h 值、游离氨浓度、d o 浓度、 c n 、盐度、污泥龄等影响因素密切相关。各影响因素之间相互关联，单因素的 改变均会影响到其他因素，进而影响到短程硝化反硝化系统的稳定性。短程硝化 青岛人学硕i ：学位论文 反硝化各影响因素及研究